宽带钢热连轧机自由规程轧制的板形控制技术

D01:10.13374.isml00103x.2009.04.05 第31卷第4期 北京科技大学学报 Vol.31 No.4 2009年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2009 宽带钢热连轧机自由规程轧制的板形控制技术 曹建国)轧楠)米凯夫)宋平2) 鄢檀力)蔡海斌2) 1)北京科技大学机械工程学院.北京1000832武汉钢铁（集团）公司.武汉430083 摘要针对无取向硅钢连续自由编排“批量同宽”的自由规程轧制要求，自主开发了AS什-C非对称自补偿工作辊技术.采 用ANSYS建立了三维辊系有限元模型.有限元分析和工业应用试验发现，ASR-C工作辊无论是在带钢宽度变化时，还是在 轧制单位完整服役期内，均具有稳定的凸度和磨损控制双重能力，同时A$R一C工作辊增强了辊缝横向刚度和弯辊力的调节 效率.在武钢1700mm热连轧机进行了255mmX1280mm宽幅无取向硅树批量同宽”轧制的Ask-C工作辊工业试验.结 果表明.凸度≤45m的带钢比例由常规工作辊的41.8%提高到982%，凸度53m的带钢比例从33.9%下降到18%， AS一C工作辊辊形自保持性达到88%.ASC技术取得显著稳定的凸度和磨损控制效果.实现了“批量同宽”的自由规程轧 制. 关键词热连轧机：板形控制：轧辊磨损；有限元分析 分类号TG333.7 Profile and flatness control technology for schedule-free rolling in hot wide strip mills CAO Jian-guo",YA Nan,MIKai-fu,SONG Ping2,YAN Tan-li2.CAl Hai-bin2) 1)School of Mechanical Engineering.Uriversity of Science and Technology Beiing,Beijng 100083,China 2)Wuhan I mn Steel (Group)Ca.Wuhan 430083.Chim ABSTRACT In order to meet the requirement of schedule-free rolling for wide nonoriented dectrical steel strip production with a large number of the same w idth strip rolling campaigns,an asymmetry self-compensating work olls (ASR-C)technology was devel oped.A three-dimensional finite element analysis model of roll stacks was built by ANSYS software package.The finite element analysis and industrial tests indicate that the developed ASR-C technology has both crow n contol ability and w ear control ability for different widths of strips or different rolling periods within the entire rolling campaign.At the same time,the roll gap stiffness and the crown control range by bending force with asymmetry self-compensating work rolls are greater than those with conventional w ork rolls in hot finishing mills.The ASR-C technology has been applied to production of the same stripwidth 2 55 mmX 1280 mm wide nomoriented electrical steel strips in the 1 700 mm hot strip mill of WISCO for test.The industrial test results show that the rate of the measured strip crown less than 45m is increased from 41.8%to 98 2%,the rate of the measured strip crow n more than 53m is decreased from 33 9%to 1.8%.and the self-maintenances of roll contours for ASRC reach to 88%.The schedule-free rolling (SFR)for a large number of the same width strip rolling campaigns is significantly achieved by the ASR-C technology w ith stable crow n contl ability and wear control ability. KEY WORDS hot strip rolling:profile and flatness controk roller wear;finite element analysis 热连轧是板带生产流程中的重要环节.提高热 度可连续变化一由宽到窄、同宽或由窄到宽进行 连轧生产组织灵活性和追求最大生产效率的途径之 轧制.主要是指可“同宽轧制”或“大逆宽轧制”.自 一就是实现自由规程轧制.自由规程轧制即带钢宽 由规程轧制本质上还是一个板形控制问题刂.制约 收稿日期：200810-07 基金项目：北京科技大学科技发展专项基金资助项目(No.20050311890) 作者简介：曹建国(1971一），男，副教授，博士，E-mail:ocm@me.usth.c.cm

宽带钢热连轧机自由规程轧制的板形控制技术 曹建国1) 轧 楠1) 米凯夫1) 宋 平2) 鄢檀力2) 蔡海斌2) 1) 北京科技大学机械工程学院, 北京 100083 2) 武汉钢铁( 集团) 公司, 武汉 430083 摘 要 针对无取向硅钢连续自由编排“批量同宽” 的自由规程轧制要求, 自主开发了 ASR-C 非对称自补偿工作辊技术.采 用ANSYS 建立了三维辊系有限元模型.有限元分析和工业应用试验发现, ASR-C 工作辊无论是在带钢宽度变化时, 还是在 轧制单位完整服役期内, 均具有稳定的凸度和磨损控制双重能力, 同时 ASR-C 工作辊增强了辊缝横向刚度和弯辊力的调节 效率.在武钢 1 700 mm 热连轧机进行了 2.55 mm ×1 280 mm 宽幅无取向硅钢“批量同宽” 轧制的 ASR-C 工作辊工业试验.结 果表明, 凸度≤45 μm 的带钢比例由常规工作辊的 41.8 %提高到 98.2 %, 凸度>53 μm 的带钢比例从 33.9 %下降到 1.8%, ASR-C 工作辊辊形自保持性达到 88 %.ASR-C 技术取得显著稳定的凸度和磨损控制效果, 实现了“ 批量同宽” 的自由规程轧 制. 关键词 热连轧机;板形控制;轧辊磨损;有限元分析 分类号 TG333.7 Profile and flatness control technology for schedule-free rolling in hot wide strip mills CAO Jian-guo 1) , Y A Nan 1) , MI Kai-fu 1) , SONG Ping 2) , Y AN Tan-li 2) , CAI Hai-bin 2) 1) School of Mechanical Engineering, Uni versit y of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Wuhan I ron &S teel ( Group) Co., Wuhan 430083, C hina ABSTRACT I n order to meet the requirement of schedule-free rolling for w ide non-oriented electrical steel strip production with a large number of the same w idth strip rolling campaig ns, an asymmetry self-compensa ting w ork ro lls ( ASR-C) technology was devel￾oped .A three-dimensional finite element analysis model of roll stacks w as built by ANSYS software package.The finite element analysis and industrial tests indicate that the developed ASR-C technology has bo th crow n contro l ability and w ear control ability fo r different widths of strips or different rolling periods within the entire rolling campaign .At the same time, the roll gap stiffness and the crown control range by bending force with asymmetry self-compensating work rolls are greater than those with conventional w ork rolls in hot finishing mills.The ASR-C technology has been applied to pro duction o f the same strip-width 2.55 mm ×1280 mm wide non-oriented electrical steel strips in the 1 700 mm hot strip mill of WISCO fo r test .The industrial test results show that the rate of the measured strip crown less than 45μm isincreased from 41.8% to 98.2%, the rate of the measured strip crow n more than 53μm is decreased from 33.9% to 1.8 %, and the self-maintenances of roll contours for ASR-C reach to 88%.The schedule-free rolling ( SFR) for a large number of the same width strip rolling campaig ns is sig nificantly achieved by the ASR-C technology w ith stable crow n contro l ability and wear control ability . KEY WORDS hot strip rolling ;profile and flatness control;roller w ear ;finite element analysis 收稿日期:2008-10-07 基金项目:北京科技大学科技发展专项基金资助项目( No .20050311890) 作者简介:曹建国( 1971—) , 男, 副教授, 博士, E-mail:geocao @me .ustb.edu.cn 热连轧是板带生产流程中的重要环节.提高热 连轧生产组织灵活性和追求最大生产效率的途径之 一就是实现自由规程轧制 .自由规程轧制即带钢宽 度可连续变化———由宽到窄、同宽或由窄到宽进行 轧制, 主要是指可“同宽轧制”或“大逆宽轧制” .自 由规程轧制本质上还是一个板形控制问题[ 1] .制约 第 31 卷 第 4 期 2009 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.4 Apr.2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.04.015

。482 北京科技大学学报 第31卷 轧制计划灵活编排的最直接因素是热连轧机下游机 件下ASR技术的调控特性，利用ANSYS有限元软 架轧制过程中产生的工作辊严重凹槽型“U”磨损. 件建立了辊系弹性变形有限元模型，建模时采用了 要实现自由规程轧制，首要问题就是要求轧机必须 辊系结构的1/4，如图1所示.模型在计算过程中， 具备分散轧辊磨损和热凸度的能力：同时，还要求轧 将支持辊表面指定为目标面，使用单元号为TAR 机具备足够的板凸度控制能力.近年来，对于严重 GET170:工作辊表面指定为接触面，使用单元号为 凹槽型U”磨损，有关文献提出在精轧F7机架采用 C0 NTACT174.以上两单元均为面一面接触单元. 平辊或低凸度辊控制，而其引发的最大问题就是板 所有参数均根据多宽度轧制单位连续自由编排的 形控制能力不足.实际上，平辊窜辊仍然是低刚 “批量同宽”轧制条件，且ASR在整个服役期内不断 度辊缝，不具有凸度控制功能.所以，在实现“同宽 变化的控制方法而动态设定，建模所需参数见表1. 轧制”和“大逆宽轧制”的同时，提高热连轧机下游机 A 架弯辊力的板形调节效率，保证板形质量，是实现自 由规程轧制的关键 冷轧硅钢片作为国家优先发展的高效节能、优 秀软磁功能材料，是我国钢铁工业品种结构调整的 重点.低牌号无取向硅钢是目前国内产量最大、用 途最广泛的冷轧硅钢材料.近年来板形控制己成 为冷轧硅钢片生产的关键性难题之一.热轧是低牌 号无取向硅钢板形控制的关键工序，因此武钢和北 京科技大学合作成立课题组，研究低牌号无取向硅 图11700mm热连轧机四辊轧机辊系变形有限元模型 钢热轧板形控制的ASR-Y3和ASRN1技术，先 Fig.I Three-dimensional firite element moll system model of a 1700 mm 4hi mill 后分别应用于23mm×1050mm常规宽度和2.3 mmX1280mm宽幅无取向硅钢热轧板形控制，并 表1辊系有限元模型的建模参数 取得了显著而稳定的效果.为了更好地满足市场需 Table 1 Modling parameters for a finite element model of roll systems 求，武钢1700mm热连轧机己经轧制1210,1225， 参数项 参数值 1245,1280,1300mm等多种宽度无取向硅钢板3， 工作辊辊身尺寸，DXLw 700mmX 2000mm 且根据合同要求采取连续混合编排方式组织同宽轧 工作辊辊颈尺寸，DAX LN 420 mmX 650 mm 制.大规模批量生产及板宽变化范围大使无取向硅 支持辊辊身尺寸，DaX LB 1500mmX1700mm 钢的生产编排面临着极大的挑战.因此，自主开发 支持辊辊预尺寸，DEX LE ◆980mmX800mm 多种宽度连续混合编排实现批量同宽轧制的自由规 单位宽度轧制力，P/(kN·mm 8-11 程轧制技术，具有重要的理论意义和实际价值， 工作辊弯辊力，Fw/kN 0-2000 1自由规程轧制ASRC技术的板形控制性 1.1凸度调节域评价 能 辊缝凸度调节域是指轧机各板形调控手段对承 在23mmX1050mm常规宽度无取向硅钢研 载辊缝的二次凸度Cw2和四次凸度Cw4的最大调节 制ASR-Y工作辊和2.3mm×1280mm宽幅无取 范围，反映了承载辊缝调节柔性均.图2为不同 向硅钢的ASR一N工作辊的基础上，针对无取向硅 带宽的情况下，ASRC的辊缝凸度调节域.由图可 钢热轧品种多样性及混合编排轧制的要求，提出了 知，随着板宽的增加，ASR的辊缝凸度调节域形状 自由规程轧制的ASR一C技术：根据轧制过程中轧 相似，面积逐渐增大.在实际生产中，使用常规辊以 辊的磨损规律以及多宽度带钢轧制的不同要求，设 及其他工作辊轧制时，为了保证良好板形，轧制末期 定特殊控制功能和窜辊方式，使不同宽度带钢连续 往往要依靠较大弯辊力的使用.对于ASR工作辊 混合编制轧制过程中的工作辊磨损由“U”形变为 如图2所示，在沿窜辊量变化（即轧制阶段变化）的 “L”形，使轧件始终处于辊形较为平坦的区域内，打 方向上，当ASR在其特殊的窜辊策略下进行窜辊 破“由宽至窄”的“Coffin”轧制规程约束，在实现自由 时，辊缝调节特性曲线所辖的凸度调节域相对服役 批量同宽轧制的同时实现带钢板形良好控制. 初期平均上移幅度仅为00354mm,体现了良好的 为了进一步分析大批量同宽轧制无取向硅钢条 控制稳定性.原因在于，ASR工作辊依据不同的带

轧制计划灵活编排的最直接因素是热连轧机下游机 架轧制过程中产生的工作辊严重凹槽型“U”磨损 . 要实现自由规程轧制, 首要问题就是要求轧机必须 具备分散轧辊磨损和热凸度的能力 ;同时, 还要求轧 机具备足够的板凸度控制能力.近年来, 对于严重 凹槽型“ U”磨损, 有关文献提出在精轧 F7 机架采用 平辊或低凸度辊控制, 而其引发的最大问题就是板 形控制能力不足 [ 2] .实际上, 平辊窜辊仍然是低刚 度辊缝, 不具有凸度控制功能 .所以, 在实现“ 同宽 轧制”和“大逆宽轧制”的同时, 提高热连轧机下游机 架弯辊力的板形调节效率, 保证板形质量, 是实现自 由规程轧制的关键. 冷轧硅钢片作为国家优先发展的高效节能、优 秀软磁功能材料, 是我国钢铁工业品种结构调整的 重点.低牌号无取向硅钢是目前国内产量最大 、用 途最广泛的冷轧硅钢材料.近年来, 板形控制已成 为冷轧硅钢片生产的关键性难题之一 .热轧是低牌 号无取向硅钢板形控制的关键工序, 因此武钢和北 京科技大学合作成立课题组, 研究低牌号无取向硅 钢热轧板形控制的 ASR-Y [ 3] 和 AS R-N [ 4] 技术, 先 后分别应用于 2.3 mm ×1 050 mm 常规宽度和 2.3 mm×1 280 mm 宽幅无取向硅钢热轧板形控制, 并 取得了显著而稳定的效果 .为了更好地满足市场需 求, 武钢 1 700 mm 热连轧机已经轧制 1 210, 1 225, 1 245, 1 280, 1 300 mm 等多种宽度无取向硅钢板[ 5] , 且根据合同要求采取连续混合编排方式组织同宽轧 制.大规模批量生产及板宽变化范围大使无取向硅 钢的生产编排面临着极大的挑战.因此, 自主开发 多种宽度连续混合编排实现批量同宽轧制的自由规 程轧制技术, 具有重要的理论意义和实际价值 . 1 自由规程轧制 ASR-C 技术的板形控制性 能 在 2.3 mm ×1 050 mm 常规宽度无取向硅钢研 制ASR-Y 工作辊和 2.3 mm ×1 280 mm 宽幅无取 向硅钢的 ASR-N 工作辊的基础上, 针对无取向硅 钢热轧品种多样性及混合编排轧制的要求, 提出了 自由规程轧制的 AS R-C 技术;根据轧制过程中轧 辊的磨损规律以及多宽度带钢轧制的不同要求, 设 定特殊控制功能和窜辊方式, 使不同宽度带钢连续 混合编制轧制过程中的工作辊磨损由“ ∪ ”形变为 “ ”形, 使轧件始终处于辊形较为平坦的区域内, 打 破“由宽至窄”的“Coffin”轧制规程约束, 在实现自由 批量同宽轧制的同时实现带钢板形良好控制 . 为了进一步分析大批量同宽轧制无取向硅钢条 件下 ASR 技术的调控特性, 利用 ANS YS 有限元软 件建立了辊系弹性变形有限元模型, 建模时采用了 辊系结构的 1/4, 如图 1 所示 .模型在计算过程中, 将支持辊表面指定为目标面, 使用单元号为 TAR￾GET170 ;工作辊表面指定为接触面, 使用单元号为 CONTACT174 .以上两单元均为面-面接触单元. 所有参数均根据多宽度轧制单位连续自由编排的 “批量同宽”轧制条件, 且ASR 在整个服役期内不断 变化的控制方法而动态设定, 建模所需参数见表 1 . 图 1 1 700 mm 热连轧机四辊轧机辊系变形有限元模型 Fig.1 Three-dimensional finite elemen t roll system model of a 1700 mm 4-hi mill 表1 辊系有限元模型的建模参数 Table 1 Modeling parameters for a finit e element model of roll systems 参数项 参数值 工作辊辊身尺寸, D W ×LW 700 mm ×2 000 mm 工作辊辊颈尺寸, D N ×LN 420 mm ×650 mm 支持辊辊身尺寸, DB ×LB 1 500 mm ×1 700 mm 支持辊辊颈尺寸, DE ×LE 980 mm ×800 mm 单位宽度轧制力, P/ ( kN·mm -1 ) 8 ～ 11 工作辊弯辊力, F W/ kN 0 ～ 2 000 1.1 凸度调节域评价 辊缝凸度调节域是指轧机各板形调控手段对承 载辊缝的二次凸度 Cw2和四次凸度 Cw4的最大调节 范围, 反映了承载辊缝调节柔性 [ 6-13] .图 2 为不同 带宽的情况下, ASR-C 的辊缝凸度调节域 .由图可 知, 随着板宽的增加, ASR 的辊缝凸度调节域形状 相似, 面积逐渐增大.在实际生产中, 使用常规辊以 及其他工作辊轧制时, 为了保证良好板形, 轧制末期 往往要依靠较大弯辊力的使用.对于 AS R 工作辊, 如图 2 所示, 在沿窜辊量变化( 即轧制阶段变化) 的 方向上, 当 ASR 在其特殊的窜辊策略下进行窜辊 时, 辊缝调节特性曲线所辖的凸度调节域相对服役 初期平均上移幅度仅为 0.035 4 mm, 体现了良好的 控制稳定性.原因在于, ASR 工作辊依据不同的带 · 482 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷

第4期 曹建国等：宽带钢热连轧机自由规程轧制的板形控制技术 ·483。 钢宽度，制定不同的窜辊策略，并且在轧制过程中不 1.0r 断通过窜辊补偿轧辊磨损的影响，使得轧件一直在 0.8 +原始辊形 ·磨损辊形 与轧制初期“相似”的上下工作辊中进行轧制，体现 0.6 了A$R在磨损控制方面的特点，因此不会存在轧制 0 末期板形恶化和过度依靠弯辊力的问题.对于常规 02 工作辊甚至一些特殊设计的辊形如CVC(continu- 04 ously variable crown)等连续变凸度辊形，其凸度调 节域随带钢宽度的变小而急剧减小是难以克服的问 -07000 -500 0 500 1000 题，如图3所示.与此同时，CVC工作辊的磨损对服 距辊身中点距离/mm 役期内的凸度控制稳定性具有较大影响，是导致工 图4CVC工作辊在轧制初期及末期时的综合辊形 作辊服役后期窜辊、弯辊失去低凸度控制能力的主 Fig.4 Shapes of a CVC work roll before and after service 要原因.尤其在硅钢的同宽轧制中，由于硅钢本身 包含在板宽较大的承载辊缝调节域中，ASR辊形对 材质问题，对轧辊磨损量较大，其下机辊形如图4所 不同宽度的带材，其板形的调节能力具有连续性 示，当工作辊表面磨损曲线呈箱形或猫耳型”时，已 可见，在使用ASR轧辊轧制时，无论是宽带钢还是 失去CVC工作辊原有的几何特征，承载辊缝曲线形 窄带钢都可以实现批量同宽轧制，调控性能良好，可 状发生畸变，使各种调控手段都不能有效对此补偿， 用于不同宽度连续混合编制轧制. 造成带钢板形恶化4， 1.2弯辊力调节的效率分析 500 +-B-900mm 通过对相应工况下仿真结果的对比分析，可以 400 -B-1000mm 300 o-B=-1100mm 发现：ASR工作辊的辊缝凸度与弯辊力呈现较好的 ◇-B=-1200mm 200 线性关系19，其服役期内不同阶段带钢凸度随弯辊 100 力施加的变化情况如图5所示. 400 -100 300 2009 32 33 34 35 200 C.um 香 100 0 图2不同板宽ASR轧辊凸度调节域 。常规辊前期凸度 -100 e-ASR辊前期凸度 Fig.2 Roll gap adjustment area of ASR with different widths of -200 。常规辊末期凸度 strips ·ASR辊末期凸度 -300 0 500 1000 15002000 200 弯辊力kN 150 图5服役期内弯辊力调控系数 100 ◆B=1300m 。-B=1200m Fig.5 Variation of roll gap crow n as function of bending force dur 50 +B=1100m ing enlstment ◆-B=1000m 通过对比分析常规辊与ASR辊形在轧制初期 -50 1006 及末期辊缝凸度可知，在使用ASR的整个服役期 20 30 40 50 内，各个阶段的弯辊力调控功效基本保持一致，轧制 C./μm 初期与末期的弯辊力影响差别很小，分析表明， 图3不同板宽CVC轧辊凸度调节域 ASR在其特殊的窜辊控制策略下，可以有效地打开 Fig.3 Roll gap adjustment area of CVC with different widths of 凹槽型磨损槽箱的一个边，使轧件始终处于辊形较 strips 为平坦的区域内，并结合工作辊强力弯辊保证承载 值得说明的是，当板宽变化时，ASR的辊缝凸 辊缝形状的正常可控，有效避免了常规辊等辊形因 度调节域的变化量并不大，其变化程度远小于CVC 末期的严重磨损所导致凸度控制能力的削弱.无论 等轧辊凸度调节域随板宽的变化量.由此证明A$R 轧制初期与末期，ASR的轧辊凸度控制能力都大于 轧辊不存在轧制窄带钢时凸度调节域急剧减小的问 常规工作辊，ASR新辊形前期、后期辊缝凸度比常 题，且随着板宽的变化，较小的板宽承载辊缝调节域 规辊的分别小81m和528m,尤其到了后期凸度

钢宽度, 制定不同的窜辊策略, 并且在轧制过程中不 断通过窜辊补偿轧辊磨损的影响, 使得轧件一直在 与轧制初期“相似”的上下工作辊中进行轧制, 体现 了ASR 在磨损控制方面的特点, 因此不会存在轧制 末期板形恶化和过度依靠弯辊力的问题 .对于常规 工作辊甚至一些特殊设计的辊形如 CVC ( continu￾ously variable crown) 等连续变凸度辊形, 其凸度调 节域随带钢宽度的变小而急剧减小是难以克服的问 题, 如图3 所示.与此同时, CVC 工作辊的磨损对服 役期内的凸度控制稳定性具有较大影响, 是导致工 作辊服役后期窜辊 、弯辊失去低凸度控制能力的主 要原因 .尤其在硅钢的同宽轧制中, 由于硅钢本身 材质问题, 对轧辊磨损量较大, 其下机辊形如图 4 所 示, 当工作辊表面磨损曲线呈箱形或“猫耳型”时, 已 失去 CVC 工作辊原有的几何特征, 承载辊缝曲线形 状发生畸变, 使各种调控手段都不能有效对此补偿, 造成带钢板形恶化[ 14] . 图 2 不同板宽 ASR 轧辊凸度调节域 Fig.2 Roll gap adjustment area of ASR w ith different widths of strips 图 3 不同板宽 CVC 轧辊凸度调节域 Fig.3 Roll gap adjustment area of CVC with different w idths of strips 值得说明的是, 当板宽变化时, ASR 的辊缝凸 度调节域的变化量并不大, 其变化程度远小于 CVC 等轧辊凸度调节域随板宽的变化量 .由此证明 ASR 轧辊不存在轧制窄带钢时凸度调节域急剧减小的问 题, 且随着板宽的变化, 较小的板宽承载辊缝调节域 图 4 C VC 工作辊在轧制初期及末期时的综合辊形 Fig.4 S hapes of a CVC work roll before and after service 包含在板宽较大的承载辊缝调节域中, ASR 辊形对 不同宽度的带材, 其板形的调节能力具有连续性. 可见, 在使用 AS R 轧辊轧制时, 无论是宽带钢还是 窄带钢都可以实现批量同宽轧制, 调控性能良好, 可 用于不同宽度连续混合编制轧制 . 1.2 弯辊力调节的效率分析 通过对相应工况下仿真结果的对比分析, 可以 发现:AS R 工作辊的辊缝凸度与弯辊力呈现较好的 线性关系 [ 15] , 其服役期内不同阶段带钢凸度随弯辊 力施加的变化情况如图 5 所示. 图5 服役期内弯辊力调控系数 Fig.5 Variation of roll gap crow n as function of bending f orce du r￾ing enlistment 通过对比分析常规辊与 ASR 辊形在轧制初期 及末期辊缝凸度可知, 在使用 AS R 的整个服役期 内, 各个阶段的弯辊力调控功效基本保持一致, 轧制 初期与末期的弯辊力影响差别很小 .分析表明, ASR 在其特殊的窜辊控制策略下, 可以有效地打开 凹槽型磨损槽箱的一个边, 使轧件始终处于辊形较 为平坦的区域内, 并结合工作辊强力弯辊保证承载 辊缝形状的正常可控, 有效避免了常规辊等辊形因 末期的严重磨损所导致凸度控制能力的削弱.无论 轧制初期与末期, ASR 的轧辊凸度控制能力都大于 常规工作辊, ASR 新辊形前期 、后期辊缝凸度比常 规辊的分别小 81 μm 和 528 μm, 尤其到了后期凸度 第 4 期 曹建国等:宽带钢热连轧机自由规程轧制的板形控制技术 · 483 ·

。484 北京科技大学学报 第31卷 调控范围比常规辊大41.1%.所以，要实现同等凸 2现场试验及效果 度控制能力，A$R所需的弯辊力远低于常规凸度 辊，弯辊力的利用率高，同时也避免了轧制末期过度 为了验证ASRC技术的性能，提高硅钢板形 施加弯辊力所带来的能耗. 质量及产量，于2007年12月在1700mm热连轧机 13辊缝横向刚度评价 进行了ASRC工作辊的上机调试，对规格为255 辊缝横向刚度，是衡量承载辊缝在轧制压力变 mm×1280mm的宽幅无取向硅钢进行了两个大轧 动时的稳定性.图6和图7分别为轧件宽度为1300 制单位6704t批量同宽轧制试验，取得了预期的效 mm时，常规辊形与ASR辊形在服役期内不同阶段 果.试验采用ASRC辊形后，宽幅无取向硅钢轧制 的辊缝横向刚度. 单位内普钢烫辊材和过渡材数量由10块以上降至 700 4~5块，而硅钢块数由试生产的40卷、实验辊形的 600 近60卷扩大到ASR一C的70卷以上，板形控制效果 400 良好，所轧硅钢凸度达标率（带钢凸度≤45m)达 300 98.2%以上，大于53m的比例仅为1.8%.应用 200 ASRC技术前后带钢凸度对比如图8所示. 100 ◆一初期 。一中期 。一末期 100 0 8.0 9.5 11.0 单位轧制力/kN,mm) 80 圆常规辊 日ASR实验辊形 ☑ASR-C 图6常规辊形的辊缝刚度特性 60 Fig.6 Roll gap stiffness characteristics for a comven tional contour 40 250 200 45 4652 53-60 到 150 凸度1m 100 图8使用不同辊形硅钢凸度比较 50 ◆一初期。一中期 一末期 Fig.8 Contour dstribution of w ide nonoriented electrical steel with a conventional work roll and ASR 8.0 9.5 11.0 单位轧制力/kN.mm) 同时，在大单位批量同宽轧制条件下，AS一C 图7ASR辊形的辊缝刚度特性 工作辊与常规辊沿辊身全长各点的实测磨损量差值 Fig 7 Roll gap stiffness characteristics for an ASR contour 如图9所示.通过对比分析可知，ASRC工作辊辊 经过对比可知，与常规辊相比，ASR轧辊辊缝 形的自保持性良好.这里通过轧辊自保持参数Re 刚度较大，在轧制较宽带钢时具有明显的优势，随着 来评价轧辊的自保持能力19，可以得出ASRC工 轧制过程的进行两种工作辊的辊缝刚度都存在不同 作辊辊形的自保持参数R提高到88%以上：且和 程度的降低.当单位轧制力产生3kNmm1的变化 常规辊形相比ASR辊形带钢宽度范围内沿辊身长 时，常规辊辊缝凸度的变化量由轧制初期的66m 度磨损较均匀，没有箱形磨损出现，辊形变化特征有 增加到轧制末期的69m,辊缝刚度减小45%. 400 ASR辊辊缝凸度的变化量由轧制初期的61m增 且300 加到轧制末期的64m,辊缝刚度减小4.9%.将不 同时期两种辊形的辊缝刚度进行对比发现，在轧制 200 +ASR轧辊 ·一常规银 前期、中期和末期ASR的辊缝刚度与常规辊相比分 100 别增加82%、8.0%和7.8%.由此可见，在轧制单 位内的不同阶段，A$R技术可以在轧制力波动变化 -1000 -600 -200 200 600 1000 距轧银中心距离/mm 时保持其辊缝控制的稳定性，既增加了刚性特性又 兼顾了柔性. 图9AS一C与常规工作辊磨损量差值对比 Fig.9 Comparison of wear difference betw een a conventional work roll and ASR-C

调控范围比常规辊大 41.1 %.所以, 要实现同等凸 度控制能力, ASR 所需的弯辊力远低于常规凸度 辊, 弯辊力的利用率高, 同时也避免了轧制末期过度 施加弯辊力所带来的能耗 . 1.3 辊缝横向刚度评价 辊缝横向刚度, 是衡量承载辊缝在轧制压力变 动时的稳定性 .图6 和图7 分别为轧件宽度为1300 mm 时, 常规辊形与 AS R 辊形在服役期内不同阶段 的辊缝横向刚度 . 图 6 常规辊形的辊缝刚度特性 Fig.6 Roll gap stiffness charact eristics f or a conven tional cont our 图7 ASR 辊形的辊缝刚度特性 Fig.7 Roll gap stiffness characteristics for an ASR con tour 经过对比可知, 与常规辊相比, ASR 轧辊辊缝 刚度较大, 在轧制较宽带钢时具有明显的优势, 随着 轧制过程的进行两种工作辊的辊缝刚度都存在不同 程度的降低.当单位轧制力产生3 kN·mm -1的变化 时, 常规辊辊缝凸度的变化量由轧制初期的 66 μm 增加到轧制末期的 69 μm, 辊缝刚度减小 4.5 %. ASR 辊辊缝凸度的变化量由轧制初期的 61 μm 增 加到轧制末期的 64 μm, 辊缝刚度减小 4.9 %.将不 同时期两种辊形的辊缝刚度进行对比发现, 在轧制 前期、中期和末期ASR 的辊缝刚度与常规辊相比分 别增加 8.2 %、8.0 %和 7.8 %.由此可见, 在轧制单 位内的不同阶段, ASR 技术可以在轧制力波动变化 时保持其辊缝控制的稳定性, 既增加了刚性特性, 又 兼顾了柔性. 2 现场试验及效果 为了验证 ASR-C 技术的性能, 提高硅钢板形 质量及产量, 于 2007 年 12 月在 1700 mm 热连轧机 进行了 ASR-C 工作辊的上机调试, 对规格为 2.55 mm ×1 280 mm 的宽幅无取向硅钢进行了两个大轧 制单位 6 704 t 批量同宽轧制试验, 取得了预期的效 果 .试验采用ASR-C 辊形后, 宽幅无取向硅钢轧制 单位内普钢烫辊材和过渡材数量由 10 块以上降至 4 ～ 5 块, 而硅钢块数由试生产的 40 卷 、实验辊形的 近 60 卷扩大到 ASR-C 的 70 卷以上, 板形控制效果 良好, 所轧硅钢凸度达标率( 带钢凸度 ≤45 μm) 达 98.2 %以上, 大于 53 μm 的比例仅为 1.8 %.应用 ASR-C 技术前后带钢凸度对比如图 8 所示 . 图8 使用不同辊形硅钢凸度比较 Fig.8 Cont our distribution of w ide non-orient ed electrical steel with a conventional w ork roll and ASR 图 9 ASR-C 与常规工作辊磨损量差值对比 Fig.9 Comparison of wear diff erence betw een a conventional w ork roll and ASR-C 同时, 在大单位批量同宽轧制条件下, AS R-C 工作辊与常规辊沿辊身全长各点的实测磨损量差值 如图 9 所示.通过对比分析可知, ASR-C 工作辊辊 形的自保持性良好.这里通过轧辊自保持参数 Rtc 来评价轧辊的自保持能力[ 16] , 可以得出 ASR-C 工 作辊辊形的自保持参数 R tc提高到 88 %以上;且和 常规辊形相比 ASR 辊形带钢宽度范围内沿辊身长 度磨损较均匀, 没有箱形磨损出现, 辊形变化特征有 · 484 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷

第4期 曹建国等：宽带钢热连轧机自由规程轧制的板形控制技术 ·485· 明显改善，有效解决了因箱形磨损带来的凸度偏大 窜辊系统 难题，并增加了低凸度带钢比例.同时，由于磨损的 改善，使得弯辊力的调节效率提高，避免了轧制末期 参考文献 过度施加弯辊力.轧制单位内下游机架弯辊力的使 用情况如图10所示. I]Zhang Q D.He A R,Hung L.W.et al.Shape control in sched ule free hot strip rolling.Iron Steel,2001,36(2):72 1600 (张清东，何安瑞，黄伦伟，等.板形控制与热轧带钢自由规 1400 一F4实测弯辊力 一F5实测弯辊力 程轧制.钢铁.2001,36(2)：72) 1200 F6实测弯辊力 [2 Kong X W.Xu J Z.Wang G D.Study on schedule free rolling 三1000 +F7实测弯棍力 with flat roll on F7 finish stand./ron Steel.2002.37(11):26 800 (孔样伟，徐建忠.王国栋.精轧F7机架采用平辊实现自由程 600 序轧制的研究.钢铁，2002.37(11)：20 400 [3 Cao JG.Zhang J.Song P.et al.ASR techndlogy for contmolling 200 profile and fhtness of nomroriented electrical steel strip in hot 21 31415161 roling.Iron Steel,2006,41(6):43 带钢块数/块 (曹建国，张杰，宋平，等.无取向硅钢热轧板形控制的ASR 技术.钢铁，2006.41(6：43) 图10轧制单位内下游机架弯辊力的使用情况 [4 Cao J G,Dai B Q,Zhang J,et al.Profile and flatnes control Fig.10 Usage of bending force in dow nstream mills technology of wide non-oriented electrical steel in hot strip mills. 1700mm热连轧机ASRC技术具有凸度控制 J Cent South Univ Sci Technol,2008.39(4):771 (曹建国，戴宝泉，张杰，等。宽幅无取向硅钢热轧板形控制 与磨损控制双重能力，满足了采用多种宽度连续混 技术研究.中南大学学报：自然科学版，2008,394)：刀1) 合编排条件进行批量同宽轧制的自由规程轧制要 Deng H,Cao JG,Zhang J,et al.Study on perfomance of strip 求.值得指出的是，现代化宽带钢热连轧机通常均 profile control basedon different w idth of nonoriented sili con steel 具有短行程（如宝钢2050CVC热连轧机精轧机组） strip in hot roling.Metall Equip.2008.2(1):10 或长行程（如武钢1700WRS、2250CVC热连轧机和 (邓辉，曹建国，张杰，等.多宽度无取向硅钢热轧板形控制 特性研究.治金设备.2008.2(1)：10) 马钢1800CVC薄板坯连铸连轧精轧机组)工作辊窜 [6 Zhang Q D.Chen X L.Flatness control strategy for CVC4 high 辊系统，且配置了数控磨床19.ASR技术可在不 cold molling mill.J Univ Sci Technol Beijing.1996.18 4):347 影响生产和较少改造生产设备的条件下，适用于工 (张清东，陈先霖.CVC四辊冷轧机板形控制策略.北京科技 作辊长行程窜辊系统：若采取特定技术手段同样可 大学学报，1996.18(4)：347) 方便地推广应用于工作辊短行程窜辊系统. [7 Chen X L.Flatness control in new generation high-tech mills for wide strip roling.JUniv Sci Tech nol Beijing.1997,19(Suppl 3结论 2):1 (陈先霖.新一代高技术宽带钢轧机的板形控制.。北京科技大 (1)建立轧机辊系变形有限元模型仿真分析显 学学报，1997,19（增刊2）：1) 示，ASRC板形控制技术在批量同宽轧制条件下， [8 JiaS H.Cao JG.Zhang J,et al.Effect of SmartC mow n work roll 兼备凸度控制与磨损控制的双重功效，承载辊缝横 wear contour pattern on contmollability of pmofile and flatness in tandem col rolling mils.J Univ Sci Technol Beijing,2006.28 向刚度值稳定，不会存在轧制末期板形恶化和过度 (5):468 依靠弯辊力问题，既增强了板形控制的辊缝刚度特 (贾生晖，曹建国，张杰，等.冷连轧机Smart Crow n轧辊磨损 性，又兼顾了辊缝调节柔性 辊形对板形调控能力影响.北京科技大学学报，2006,28(5)： (2)大型工业轧机规模生产数据表明，ASRC 468) [9Salimi M.Forouzan M R.Detemination of bending actuators set 辊形应用于常规及宽幅无取向硅钢轧制的板形控制 points to contml crown and flatness in hot roling of strip.J 效果良好，且轧辊自保持性良好，基本消除了箱形磨 Mater Proass Technol,2002.125/126:670 损.说明ASRC具备了在现有宽带钢轧机上改善 [10 Ginzburg.High-Oulity Steel Rolling Theory and Pracfice. 生产编排灵活性、实现自由规程轧制的独特优势. New York:Marcel Dekker Press,1993:34 (3)1700mm热连轧机的ASR技术成功经验表 [11]Derek A S,Patrick J M,Carbs J M,et al.Control strategies for high pmduction and quality:U.S.steel Gary 84in.hot 明：A$R技术可在不影响生产和较少改造生产设备 strip mill.Iron Steel Eng,1998.75(6):31 条件下，适用于工作辊长行程窜辊系统，而且若采取 12]Ginzburg V B,Azzam M.Select ion of optimum strip profile and 特定技术手段同样可方便推广应用于工作辊短行程 flatness technology for roling mils.Iron Steel Eng,1997.74

明显改善, 有效解决了因箱形磨损带来的凸度偏大 难题, 并增加了低凸度带钢比例.同时, 由于磨损的 改善, 使得弯辊力的调节效率提高, 避免了轧制末期 过度施加弯辊力 .轧制单位内下游机架弯辊力的使 用情况如图 10 所示 . 图 10 轧制单位内下游机架弯辊力的使用情况 Fig.10 Usage of bending force in dow nstream mills 1 700 mm 热连轧机 AS R-C 技术具有凸度控制 与磨损控制双重能力, 满足了采用多种宽度连续混 合编排条件进行批量同宽轧制的自由规程轧制要 求.值得指出的是, 现代化宽带钢热连轧机通常均 具有短行程( 如宝钢 2050CVC 热连轧机精轧机组) 或长行程( 如武钢 1700WRS 、2250CVC 热连轧机和 马钢 1800CVC 薄板坯连铸连轧精轧机组) 工作辊窜 辊系统, 且配置了数控磨床[ 17-19] .ASR 技术可在不 影响生产和较少改造生产设备的条件下, 适用于工 作辊长行程窜辊系统;若采取特定技术手段同样可 方便地推广应用于工作辊短行程窜辊系统. 3 结论 ( 1) 建立轧机辊系变形有限元模型仿真分析显 示, ASR-C 板形控制技术在批量同宽轧制条件下, 兼备凸度控制与磨损控制的双重功效, 承载辊缝横 向刚度值稳定, 不会存在轧制末期板形恶化和过度 依靠弯辊力问题, 既增强了板形控制的辊缝刚度特 性, 又兼顾了辊缝调节柔性. ( 2) 大型工业轧机规模生产数据表明, ASR-C 辊形应用于常规及宽幅无取向硅钢轧制的板形控制 效果良好, 且轧辊自保持性良好, 基本消除了箱形磨 损.说明 ASR-C 具备了在现有宽带钢轧机上改善 生产编排灵活性 、实现自由规程轧制的独特优势. ( 3) 1 700mm 热连轧机的 ASR 技术成功经验表 明:AS R 技术可在不影响生产和较少改造生产设备 条件下, 适用于工作辊长行程窜辊系统, 而且若采取 特定技术手段同样可方便推广应用于工作辊短行程 窜辊系统. 参 考 文 献 [ 1] Zhang Q D, He A R, Huang L W, et al.S hape con trol in sched￾ule free hot strip rolling .Iron St eel, 2001, 36( 2) :72 ( 张清东, 何安瑞, 黄伦伟, 等.板形控制与热轧带钢自由规 程轧制.钢铁, 2001, 36( 2) :72) [ 2] Kong X W, Xu J Z, Wang G D.Study on schedule free rolling with flat roll on F7 finish st and.Iron S teel, 2002, 37( 11) :26 ( 孔祥伟, 徐建忠, 王国栋.精轧F7 机架采用平辊实现自由程 序轧制的研究.钢铁, 2002, 37( 11) :26) [ 3] Cao J G, Zhang J, S ong P, et al.ASR technology for controlling profile and flatness of non-orient ed electrical steel strip in hot rolling .Iron S teel, 2006, 41( 6) :43 ( 曹建国, 张杰, 宋平, 等.无取向硅钢热轧板形控制的 ASR 技术.钢铁, 2006, 41( 6) :43) [ 4] Cao J G, Dai B Q, Zhang J, et al.Profile and flatness control technology of w ide non-oriented electrical st eel in hot strip mills. J Cen t South Uni v S ci Technol, 2008, 39( 4) :771 ( 曹建国, 戴宝泉, 张杰, 等.宽幅无取向硅钢热轧板形控制 技术研究.中南大学学报:自然科学版, 2008, 39( 4) :771) [ 5] Deng H, Cao J G, Zhang J, et al.S tudy on perf ormance of strip profile control based on different w idth of non-oriented sili con steel strip in hot rolling .Metall Equ ip , 2008, 2( 1) :10 ( 邓辉, 曹建国, 张杰, 等.多宽度无取向硅钢热轧板形控制 特性研究.冶金设备, 2008, 2( 1) :10) [ 6] Zhang Q D, Chen X L.Flatness control strategy for CVC 4 high cold rolling mill.J Un iv Sci Technol Beijing, 1996, 18( 4) :347 ( 张清东, 陈先霖.CVC 四辊冷轧机板形控制策略.北京科技 大学学报, 1996, 18( 4) :347) [ 7] Chen X L .Flatness control in new generation high-tech mills for wide strip rolling .J U niv Sci Tech nol Beijing , 1997, 19 ( Suppl 2) :1 ( 陈先霖.新一代高技术宽带钢轧机的板形控制.北京科技大 学学报, 1997, 19( 增刊 2) :1) [ 8] Jia S H, Cao J G, Zhang J, et al.Eff ect of S martC row n work roll w ear contour pattern on controllability of p rofile and flatness in t andem cold rolling mills.J U niv S ci Technol Beijing , 2006, 28 ( 5) :468 ( 贾生晖, 曹建国, 张杰, 等.冷连轧机 SmartCrow n 轧辊磨损 辊形对板形调控能力影响.北京科技大学学报, 2006, 28( 5) : 468) [ 9] Salimi M, Forouzan M R.Determination of bending actuat ors set points to control crown and flatness in hot rolling of strip.J Mater Process Technol, 2002, 125/ 126:670 [ 10] Ginzburg .High-Qu lity S teel Rolling Theory a nd Pr acfice . New York:Marcel Dekker Press, 1993:34 [ 11] Derek A S , Patrick J M, Carlos J M, et al.Control strategies for high production and quality :U .S .st eel Gary 84-in.hot strip mill.Iron S teel Eng , 1998, 75( 6) :31 [ 12] Ginzburg V B, Azzam M .Selection of optimum strip profile and flatness technology for rolling mills.Iron S teel Eng , 1997, 74 第 4 期 曹建国等:宽带钢热连轧机自由规程轧制的板形控制技术 · 485 ·

。486 北京科技大学学报 第31卷 (7):30 appraisal of roll contourin hot wide strip mill.JUniv Sci Tech- [13 Peng Y,Liu H M.Wang DC.Simulation of type sekction for nol Beijing,.1999,21(2):188 6-high cold tandem mill based on shape control ability.J Cent (曹建国，陈先霖，张清东，等。宽带钢热连轧机轧辊磨损与 South Uniy Technol.2007.14(2):278 辊形评价.北京科技大学学报，1999.21(2)：188 [14 WeiG C.Cao JC.Zhang J.et al.Optimization and appication I 17]Chen L S.Lian J C.Study on Roll Wear on Hot Rolling Mill. of CVC work moll contour on 2250 hot strip mills.J Cent South 1mnS1eL,2001.36(1):66 Un iv Sci Technol.2007.38(5):937 (陈连生，连家创.热带钢轧机轧辊磨损研究.钢铁.2001. (魏钢城.曹建国.张杰，等.250CVC热连轧机工作辊辊 36(1):66) 形改进与应用.中南大学学报：自然科学版，2007,38(5)： [18 Xu G.Liu X J.Xiong J W.e al.Appraisal of moll wear pattern 937) ofCVC mill.Iron Steel Vanadium Titanium.2006.27(3): [15]XuJ Z Zhang J.Zhang F J.et al.Effect of work mll bending 60 fore on hot molled strip profil.J Iron Steel Res.2003.15(5): (徐光，刘显军，熊俊伟，等.CVC轧机轧辊磨损评价.钢铁 23 钒钛，2006,27(3)：60) (徐建忠，张军，张风琴，等.工作辊弯辊力对热轧带钢凸度 [19 Cao J G.Wei G C.Zhang J.et al.VCR and ASR techndlogy 的影响.钢铁研究学报，2003.15(5)：23) for profile and flatness control in hot strip mills.J Cent South [1 Cao JG,Chen X L.Zhang Q D.et al.Roll Wear pattern and Univ Technol,.2008.15(2):264

( 7) :30 [ 13] Peng Y, Liu H M, Wang D C .Simulation of type selection for 6-high cold tandem mill based on shape control abilit y .J Cent South Uni v Technol, 2007, 14( 2) :278 [ 14] Wei G C , Cao J G, Zhang J, et al.Optimization and application of CVC w ork roll cont ou r on 2250 hot strip mills.J Cent South Un iv S ci Technol, 2007, 38( 5) :937 ( 魏钢城, 曹建国, 张杰, 等.2250 CVC 热连轧机工作辊辊 形改进与应用.中南大学学报:自然科学版, 2007, 38( 5) : 937) [ 15] Xu J Z, Zhang J, Zhang F J, et al.Effect of w ork roll bending f orce on hot rolled strip profile .J Iron S teel Res, 2003, 15( 5) : 23 ( 徐建忠, 张军, 张凤琴, 等.工作辊弯辊力对热轧带钢凸度 的影响.钢铁研究学报, 2003, 15( 5) :23) [ 16] Cao J G, C hen X L, Zhang Q D, et al.Roll Wear patt ern and appraisal of roll cont ou r in hot w ide strip mill.J U niv Sci Tech￾nol Beijing, 1999, 21( 2) :188 ( 曹建国, 陈先霖, 张清东, 等.宽带钢热连轧机轧辊磨损与 辊形评价.北京科技大学学报, 1999, 21( 2) :188) [ 17] Chen L S, Lian J C .S tudy on Roll Wear on Hot Rolling Mill. Iron S teel, 2001, 36( 1) :66 (陈连生, 连家创.热带钢轧机轧辊磨损研究.钢铁, 2001, 36( 1) :66) [ 18] Xu G, Liu X J, Xiong J W, et al.Appraisal of roll w ear pattern of CVC mill.Iron S teel Vanad iu m Titanium , 2006, 27( 3 ) : 60 ( 徐光, 刘显军, 熊俊伟, 等.CVC 轧机轧辊磨损评价.钢铁 钒钛, 2006, 27( 3) :60) [ 19] C ao J G, Wei G C, Zhang J, et al.VC R and ASR technology for profile and flatness control in hot strip mills.J Cen t South U niv Technol, 2008, 15( 2) :264 · 486 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷